信号的描述

信号的分类

连续信号和随机信号

  • 连续时间信号: 在一定的连续的时间范围内,对于任意的时间值,都有对应的函数值简称连续信号.
  • 连续指的是时间上的连续,而非曲线取值(值域)的连续.

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  • 离散时间信号:仅在一些离散的瞬间才有定义的信号(时间上是离散的)
  • 通常取等间隔T,表示为f(kT),简写为f(k).等间隔的离散信号称为序列,其中k称为序号

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周期信号和非周期信号

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能量信号和功率信号

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信号的基本运算

信号的时间变换

  • 信号反转

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没有实现此功能的实际器件。

  • 信号的平移

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  • 信号展缩

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  • 注意
  1. 混合运算时,三种运算的次序可任意。但一定要注意一切变换都是相对t而言的
  2. 对正向运算,先平移,后反转和展缩不易出错,逆运算则反之

微分和积分

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  • 这里求微分时的图像需要分开按照每段来看,按照段函数划分。可以从下图看出,有斜率的用线表示。而水平的线用冲击表示,冲击强度为其取值的相反数。另外冲击信号的方向同其线的方向。
  • 积分的图可简单看出,其平线表示的是积分后该部分函数的斜率,其起始点则是平线的起始位置。没有点的地方则以水平线表示。

阶跃函数和冲激函数

  • 它们是奇异函数。

阶跃函数

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阶跃函数图像的变化规则同上面的变化,以t0点作为变化点。

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  • 阶跃函数的性质

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冲激函数

奇异函数。

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  • 狄拉克定义

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  • 性质
  1. 取样性:即其乘以一个冲激,则只有0处有定义。可以直接化简出一个函数。

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  1. 冲激偶

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注意其第一个性质,冲激导数与函数乘积的变换。

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性质总结:

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  • 尺度变化

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δ(t)与ε(t)的关系

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卷积积分

定义

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卷积的算法

  • 图解法

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例:

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卷积是两个函数表达式相乘后的积分,各个积分限是各个不同的阶段。如上图选择的就是以f(t)做的平移变换,因为相较而言它简单一些

卷积的性质

  • 交换律
  • 卷积结果与交换两函数的次序无关,一般选比较简单函数进行反转和平移
  • 分配律

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并联系统冲激响应等于子系统冲激响应之和

  • 结合律

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串联系统冲激响应等于子系统冲激响应的卷积

与冲激函数的卷积

  1. 卷积的时移性
  2. 与阶跃的卷积

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  1. 例题:

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注意方法二中,对于两个一颗皮龙的计算化简

卷积的微积分性质

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  • 例题

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相关函数

定义

实能量有限函数

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注意有(互)相关和自相关函数两种之分。

实功率有限信号

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  • 结论
  1. 周期信号自相关函数仍为周期信号,且周期相同。
  2. 自相关函数是一偶函数,R(0)为最大值。
  3. 余弦函数自相关函数仍为余弦;同理可证,任意相位的正弦,余弦之自相关函数仍为余弦。

相关与卷积的关系

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傅里叶变换和系统的频域分析

信号分解为正交函数

可使用由矢量空间正交分解推广到信号空间的方式

信号正交与正交函数集

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完备正交集即包含了所有正交函数。

信号的正交分解

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  • 帕萨瓦尔公式

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傅里叶级数(周期信号)

  1. 傅里叶级数的三角形式

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上图中的f(t)即为傅里叶级数的三角形式。表明周期信号可分解为直流和许多余弦分量。同时,周期信号f(t)还可以分为傅里叶级数的指数形式:如下图:

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  1. 指数形式

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Fn称为复傅里叶系数/各频率分量的复数幅度

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  1. 帕萨瓦尔等式

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信号频谱

周期信号频谱

  • 概念

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  • 例题

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上题中,使用三角公式即是将函数化为余弦形式。通过定义式来求解。

周期信号的定义式:

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  • 特点

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  1. 周期信号的频谱具有谐波(离散)性,谱线位置是基频的整数倍
  2. 具有收敛性,总趋势减小

频带宽度

在满足一定失真条件下,信号可以用某段频率范围内的信号来表示,此频率范围称为频带宽度

带宽与脉宽成反比

系统的通频带>信号的带宽--->不失真

非周期信号的频谱

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傅里叶变换对

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f(t)对F的逆傅里叶变换

常用傅里叶变换

sint/t 为抽样函数,即Sa(t)

sgn为符号函数,大于0为1,小于0为-1,0处为0

门函数的写法:套等于门的宽度,t对应的是门的中点

在求傅里叶变换看格式时,可以看它是否是由多个常见格式相乘而得到的。如1/t平方的傅里叶变换,可以先求1/t的变换,1/t的积分则可以得到1/t平方

  1. 线性

f(t) = f(t1)-f(t2) 则 F(w) = F(w1) + F(w2);

  1. 对称性(常用)

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例题

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  1. 尺度变换性质

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特例:当a==-1时,f(-t)其傅里叶变换为F(-jw)

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尺度变换的意义


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为例:

  1. 0<a<1 时域(t)扩展,频域(w)压缩
  2. a>1 时域压缩,频域扩展a倍
  3. a=-1时域反转,频域也反转

时移特性

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如一个不在0点处的门函数做傅里叶变换,那么它的值在变换后,还应该加上exp(jwt)

注意尺度变换与时移相结合的变换,变换都是对于t而言的

频移性质

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他们的变换可逆。f<->F。

此类例题经常使用他们的反变换。

注意频移和时移的特性

卷积性质

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时域微分和积分

微分:

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积分:

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注意F下标表示的是其中的f导的次数。如F2(jw) = F[f二次导]

频域的微分和积分

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帕萨瓦尔关系

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能量谱

能量谱为单位频率的信号能量,E(w)

频带df内的信号的能量为E(w)df,总能量为

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正余弦的傅里叶变换

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上图中的公式常用。